CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD
1.3 Tổng quan về vi bơm ECF
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu và ứng dụng của vi bơm ECF
Khi sự tương tác giữa con người và máy móc làm tăng tầm quan trọng của nó
trong lĩnh vực rô bốt và cơ điện tử, rô bốt mềm, được lấy cảm hứng từ các hệ thống
20 số chủ đề nghiên cứu liên quan đến robot mềm như cấu trúc mềm hoặc da nhân tạo, thiết bị truyền động mềm hoặc cơ nhân tạo, v.v. Đối với cơ tự nhiên có độ linh hoạt cao, các tác giả tin rằng thiết bị truyền động cơ nhân tạo phải là một công nghệ đầy hứa hẹn cho robot mềm. Do đó, năm 2006 Kenjiro Takemura và cộng sự [83] đã phát triển một loại tế bào cơ nhân tạo siêu nhỏ mới, là một phần tử được tích hợp trong cơ nhân tạo, sử dụng chất lỏng liên hợp điện và xác định hiệu năng vận hành của nó.
Hình 1.17 Sơ đồ minh họa của nguyên mẫu vi cơ [83]
Khi tia ECF tác động vào cơ cấu chấp hành, cụ thể khi áp suất tăng lên thì cơ
cấu chấp hành sẽ co lại. Tùy vào yêu cầu cụ thể mà có tăng hoặc giảm áp suất gây nên sự co dãn. Ngoài ra, các đặc điểm kiểm sốt vị trí cũng được làm rõ bằng các thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm cho thấy tế bào cơ nhân tạo siêu nhỏ sử dụng ECF có khả năng kiểm sốt hiệu suất khá tốt.
Hình 1.18 Khái niệm vi cơ ECF [83]
Bằng cách thêm loại điện cực có hình răng cưa với mục đích nâng cao hiệu suất của vi bơm ECF, năm 2007 Kenjiro Takemura và cộng sự [84] đã đề xuất một
21 của động cơ lần lượt là 9 và 10.6 mm.
Hình 1.19 Mơ Hình thí nghiệm [84]
Kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng công suất đầu ra và mô–men xoắn của động
cơ lớn hơn 21 lần và 7.5 lần so với vi bơm ECF trước đây có cặp điện cực hình
thanh. Điều này cũng mở ra một hướng mới để tiếp tục cải tạo và nâng cấp vi bơm ECF. Tiếp tục nghiên cứu với tế bào vi cơ nhân tạo, năm 2007 Kenjiro Takemura và cộng sự [82] đề xuất một thiết kế, chế tạo và mơ tả đặc tính của tế bào cơ nhân tạo mới hơn trước đó, chất lỏng liên hợp điện tiếp tục được sử dụng cho nghiên cứu này. Nghiên cứu này đã làm rõ rằng các điện cực nhỏ hơn tạo ra một tia ECF mạnh hơn với điện áp không đổi được đặt vào. Bộ truyền động mềm này có nguồn
điện bên trong đủ nhỏ gọn để tích hợp.
Hình 1.20 (a) Mơ hình chế tạo; (b) Mơ hình bộ thí nghiệm [82]
Bằng cách tích hợp một số lượng lớn các tế bào, chúng ta có thể tạo ra ra một hệ cơ nhân tạo có kích thước vĩ mơ. Kenjiro Takemura và cộng sự đã chế tạo một mẫu thử nghiệm của tế bào cơ nhân tạo siêu nhỏ ECF (Ø 12.5 mm × 13 mm) và ghép bốn tế bào vào một thiết bị truyền động cơ nhân tạo cho thấy hành trình và lực lớn hơn. Với bộ truyền đơn thì hành trình và lực tối đa là 1.56 mm và 320.5 mN và khi ghép các bộ truyền đơn vào với nhau thì hành trình và lực được tăng lên 2.8 mm và 504.1 mN được biểu diễn ở Hình 1.21.
22
Hình 1.21 Lực tác động của các tế bào vi mô (a) đơn; (b) nối tiếp [82]
Một máy bơm ECF phẳng được đề xuất bởi Woo–SukSeo và cộng sự [85]
vào năm 2007 với thiết kế ban đầu thể hiện ở Hình 1.22. Máy bơm ECF phẳng
được chế tạo bao gồm ba phần: đế máy bơm, nắp trên và đế điện cực với kích
thước 280 mm×190 mm×1 mm. Trong bài báo này, năm mẫu điện cực khác nhau
và ba chiều cao kênh dòng chảy khác nhau đã được nghiên cứu để tạo ra một máy
bơm ECF phẳng hiệu suất cao. Mỗi dãy điện cực được tạo trên nền epoxy thủy tinh
bằng quy trình khắc ướt. Máy bơm ECF phẳng được chế tạo đạt được lưu lượng không tải, áp suất đầu ra tối đa và công suất đầu ra tối đa lần lượt là 5.5 cm3/s, 7.2 kPa và 11.6 mW, ở điện áp là 2.0 kV và sử dụng chất nền số 5 với chiều cao kênh dịng chảy 500 µm. Các kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng giảm khoảng cách điện cực
và tăng số tầng điện cực là những cách hiệu quả để cải thiện hiệu suất bơm của máy bơm ECF phẳng.
Hình 1.22 Máy bơm ECF phẳng [85]
Lần đầu tiên hiệu suất của một vi bơm ECF được đề cập, các thí nghiệm được thực hiện với ba chiều cao kênh dòng chảy khác nhau và năm mẫu điện cực khác nhau, sử dụng FF–1 EHA2 làm chất lỏng hoạt động và điện áp đặt vào là 2kV. Như có thể thấy trong Hình 1.23 bên dưới, chất nền điện cực số 5 thể hiện hiệu quả cao
hơn nhiều so với chất nền điện cực số 1, 2, 3 và 4. Hiệu suất tối đa 0.6×10–3 đạt
23 dịng 500 µm. Tuy nhiên, máy bơm ECF phẳng này yêu cầu một lượng lớn dòng
điện nên máy bơm tiêu thụ một công suất lớn (20 W).
Hình 1.23 Hiệu suất của các loại chất nền [85]
Năm 2009, Kenjiro Takemura và cộng sự [78] tiếp tục đề xuất một con quay
hồi chuyển sử dụng chất lỏng liên hợp điện. Mặc dù nguyên tắc cảm biến tốc độ gốc dựa trên nguyên tắc cảm biến tốc độ khơng khí thơng thường, con quay hồi
chuyển được đề xuất có độ nhạy cao hơn nhiều vì tỷ trọng của chất lỏng nói chung
cao hơn tỷ trọng của khí. Do đó, con quay hồi chuyển lưu lượng không yêu cầu
một hệ thống bơm cồng kềnh. Điều này có nghĩa là con quay hồi chuyển được đề xuất có thể cực kỳ nhỏ. Con quay hồi chuyển với chất lỏng làm việc có kích thước (40 mm × 60 mm × t7 mm) thể hiện ở Hình 1.24.
Hình 1.24 Mơ hình thí nghiệm con quay hồi chuyển [78]
Mơ hình thí nghiệm được biểu diễn ở Hình 1.24, với bộ cấp điện áp cho con
quay, sau đó tín hiệu được xử lý qua bộ chuyển đổi và so sánh với con quay tham
chiếu. Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với kết quả của một con quay hồi chuyển
24 kết quả thử nghiệm đã khẳng định nguyên tắc hoạt động của con quay hồi chuyển lưu lượng và cho thấy tiềm năng tốt cho các ứng dụng trong tương lai.
Hình 1.25 Hiệu suất của nguyên mẫu tại 5kV [78]
Hình 1.25 cho thấy các tín hiệu đầu ra từ mơ hình lý thuyết và con quay hồi chuyển tham chiếu, trong đó kết quả ở bộ chuyển đổi tín hiệu là 550 và tần số là 8.6 Hz. Với điện áp đặt vào là 5 kV, tín hiệu đầu ra từ mơ hình khái niệm phù hợp thành cơng với tín hiệu từ con quay hồi chuyển tham chiếu với độ nhạy cao.
Các đường đặc tính lưu lượng – áp suất và trường dòng chảy của máy bơm ECF với nhiều cấu hình khác nhau được Hideki YANADA và cộng sự [86] thiết lập bằng thực nghiệm và cả mơ phỏng bằng số vào năm 2010. Mơ hình thí nghiệm
được thiết lập như Hình 1.26(a), lưu lượng đầu vào được khống chế bằng van tiết lưu. Giá trị của độ linh động ion và mối quan hệ giữa cường độ điện trường và mật độ điện tích được đưa vào được xác định để kết quả mô phỏng số phù hợp với kết
quả đo được đối với một cấu hình tiêu chuẩn nhất định của bơm kéo ion. Người ta khẳng định rằng mật độ của các điện tích được đưa vào từ điện cực phát có thể được biểu thị dưới dạng hàm tuyến tính của cường độ trường tĩnh điện trên điện
cực phát và một giá trị lớn đáng kể phải được gán cho độ linh động của ion so với giá trị cho bởi quy tắc của Walden.
Hình 1.26 (a) Sơ đồ thiết bị thí nghiệm; (b) So sánh đặc tính p–Q đo được với đặc tính mơ phỏng [86]
Nó chỉ ra rằng các đặc tính của bơm có thể được mơ phỏng với độ chính xác
25
là điều cần thiết để thành công trong mô phỏng số. Nó cũng chỉ ra rằng độ chính
xác của các mơ phỏng số đối với máy bơm có cấu hình khác với cấu hình tiêu
chuẩn bị hạ thấp khi sử dụng mối quan hệ giữa cường độ điện trường và mật độ
điện tích bơm vào cho máy bơm tiêu chuẩn. Kết quả mối tương quan giữa áp suất
với lưu lượng của thực nghiệm và mô phỏng được so sánh như Hình 1.26 (b). Nhìn chung kết quả khá tương đồng về mặt hình dạng và dễ dàng nhận thấy rằng khi
càng tăng điện áp thì kết quả càng có sai số nhiều.
Một mơ hình của dòng chất lỏng ECF được Hideki Yamamoto và cộng sự
[79] nghiên cứu vào năm 2010, với điện cực hình vng. Mơ hình thực nghiệm ở Hình 1.27(a) và mơ phỏng ở Hình 1.27(b). Kết quả của nghiên cứu số được so
sánh với thực nghiệm kết quả của trường dòng thu được bằng cách sử dụng phép
đo vận tốc hình ảnh hạt.
Hình 1.27 (a) Mơ hình thí nghiệm; (b) Mơ hình mơ phỏng số [79]
So sánh định tính giữa kết quả số và kết quả thực nghiệm cho thấy rằng các
đặc điểm nổi bật của luồng quan sát có thể được ghi lại bằng mơ hình số, Hình
1.28. Ở trong vùng đặc biệt, dòng chảy di chuyển được từ vùng cường độ cao gần các góc của điện cực âm đến vùng cường độ thấp giữa các điện cực dương. Do sự hội tụ của các dòng chảy trong khu vực này, một dòng chảy ngược phát ra để tạo ra một dịng xốy tuần hoàn trong khu vực giữa điện cực âm và điện cực dương.
Các đặc tính dịng chảy này phù hợp với nguyên tắc gradient ứng suất Maxwell
vốn được coi là cơ chế dẫn động cơ bản cơ bản cho dịng ECF.
Hình 1.28 Kết quả vận tốc Hình ảnh hạt (PIV) so sánh giữa: (a) thí nghiệm; (b) mô phỏng [79]
26
Năm 2011 Kento Mori [87] và cộng sự đã nghiên cứu các yếu tố chi phối gây
ra dòng chất lỏng điện liên hợp. Tác giả đã sử dụng phương trình Korteweg – Helmholtz để phát triển mơ hình dịng chảy ECF. Sau đó, giả thuyết rằng lực
Coulomb là yếu tố chi phối của dịng chảy vì lực Coulomb có thể là động lực với mật độ điện tích khơng đồng đều, tác giả đề xuất hai trường hợp có khả năng hình thành mật độ điện tích khơng đồng đều. Xảy ra bởi hai nguyên nhân, trường hợp
đầu tiên là khi điện tích chiếm ưu thế tồn tại trong chất lỏng, và trường hợp thứ hai là khi điện tích được thêm vào từ cạnh điện cực sắc. Điện tích chủ đạo của ECF
dịng FF có thể là âm và của DBD có thể là dương. Tuy nhiên, chất lỏng FF–1EHA2 và FF–909EHA2 có rất ít ảnh hưởng của điện tích chi phối.
Ngồi ra, theo hình dạng của các dòng ECF, tác giả đã xác nhận các ảnh hưởng của điện tích chủ đạo và trong vi bơm ECF tập trung nhiều từ góc nhọn của điện cực. Với FF–1EHA2 và FF–909EHA2, phản lực va chạm được quan sát với cặp điện cực đối xứng vì điện tích vào có ảnh hưởng nhiều đến dịng chảy hơn so với điện tích trội. Mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế của 4 loại
chất lỏng ECF được tác giả tổng hợp và thể hiện ở Hình 1.29, các phương trình mối tương quan cũng được đề xuất.
Hình 1.29 Mối tương quan giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế [87]
Năm 2012 Kento Mori và cộng sự [88] đã phát triển một hệ thống điều khiển
cho ngón tay sử dụng vi bơm ECF, tức là góc uốn cong của ngón tay được điều khiển linh hoạt bằng cách thay đổi điện áp đặt vào máy bơm ECF. Sơ đồ hệ thống
điều khiển được thể hiện trong Hình 1.30. Ngón tay được điều khiển bởi áp suất
tạo ra với máy bơm ECF, có ba cặp điện cực được sắp xếp nối tiếp. Áp suất tạo ra với bơm ECF được đo bằng đồng hồ đo áp suất. Các tín hiệu đầu ra từ đồng hồ đo áp suất và đồng hồ đo biến dạng được gửi đến máy tính thơng qua bộ chuyển đổi
A/D. Điện áp đặt vào máy bơm ECF được tính tốn trong máy tính và được cấp cho máy bơm ECF thông qua bộ chuyển đổi D/A và bộ khuếch đại điện áp cao.
27
Hình 1.30 Mơ hình thí nghiệm [88]
Vi bơm ECF được phát triển trong nghiên cứu này tạo ra áp suất tối đa 92.6 kPa và lưu lượng tối đa là 103 ml/phút. Ngón tay có chiều dài 30 mm và đường
kính 5 mm, được điều khiển bởi một vi bơm ECF có kích thước Ø5 mm×10.2 mm. Ở Hình 1.31, với áp suất 45 kPa, vi bơm tạo ra góc uốn cong là 45º (Hình 1.31(b)),
góc uốn cong lớn nhất là 150º với thời gian thực hiện là 1s (Hình 1.31(c)). Ngồi ra, tác giả xây dựng hệ thống điều khiển thực tế ảo (ngón tay cơ và ngón tay điều khiển bằng ECF) và xác nhận hiệu suất của nó. Kết quả cho thấy, máy bơm ECF phải tạo ra lưu lượng cao hơn để cải thiện phản ứng của ngón tay linh hoạt.
Hình 1.31 Độ cong của ngón tay ứng với các mức áp suất [88]
Năm 2013 Yoko Abe và cộng sự [89] đề xuất một phương pháp vận chuyển
giọt mới cho hệ thống phân tích tổng vi mô TAS sử dụng chất lỏng điện liên hợp. Một giọt được đặt vào kênh có thể di chuyển theo bất kỳ hướng nào theo dòng kênh do ECF tạo ra. Do đó, để nhiều giọt từ các kênh khác nhau được hợp nhất,
chúng được di chuyển để đến giao điểm mong muốn. Tác giả đã phát triển một
28
Hình 1.32 Mơ hình ma trận dịng kênh ECF [89]
Sau đó, tác giả đo vị trí của hai giọt và kiểm sốt vị trí của chúng bằng cách
sử dụng kỹ thuật xử lý hình ảnh. Kết quả cho thấy thời gian di chuyển của các hạt và vị trí mục tiêu đề ra đều đạt yêu cầu (Hình 1.33).
Hình 1.33. Kết quả thực nghiệm trong việc di chuyển đến vị trí mục tiêu tùy ý: (a) một giọt; (b) hai giọt [89]
Năm 2017 Dong Han và cộng sự [90] đã sử dụng công nghệ in 3D vật liệu để làm hệ thống ngón tay 3D lấy cảm hứng từ sinh học với các kênh chất lỏng tích
hợp và tích hợp hai bộ vi bơm ECF để điều khiển hai khớp nối. Áp suất đầu ra lớn nhất thu được là 127.3 kPa ở điện áp đặt là 3.5 kV. Và lưu lượng lớn nhất khơng
29 có tải là 42.8 mm3/s ở điện áp đặt là 3.5 kV. Mơ hình thực tế được thể hiện ở Hình 1.34, một ngón tay 3D ngun khối với các thân ngón tay được kết nối với nhai
bằng khớp mềm và được in thành công bằng cơng nghệ in 3D với vật liệu lai.
Hình 1.34. Mơ hình cánh tay 3D [90]
Các vật liệu hỗ trợ lấp đầy trên bề mặt hoặc trong các rãnh và hốc của các bộ phận mơ hình ngón tay ngun khối đã được loại bỏ thành công bằng phương pháp
đề xuất. Độ dịch chuyển lớn nhất thu được theo hướng x và hướng y lần lượt là
11.4 mm và 5.2 mm và thời gian tăng là khoảng 2.2 s, khi điện áp 0.9 kV được áp dụng cho cả bộ vi vi bơm ECF.
Việc nghiên cứu vi bơm ECF bằng phương pháp thiết kế mô–đun được Joon– Wan–Kim cùng cộng sự được đề xuất vào năm 2019 [91]. Cơng trình này trước hết đề xuất ý tưởng về phương pháp thiết kế mơ–đun, thơng qua đó, áp suất đầu ra và lưu lượng của các bộ vi bơm ECF được thực hiện bằng cách tích hợp các TPSE
(lăng kính tam giác và cặp điện cực hình chữ nhật) nối tiếp và song song. Thiết kế
mô–đun được đề xuất trên cơ sở một TPSE trong bộ vi bơm ECF có thể tạo ra cùng một áp suất đầu ra và lưu lượng đối với điện áp đặt vào. Bằng cách sử dụng quy trình chế tạo MEMS, có thể dễ dàng nhận ra các TPSE khác nhau nối tiếp và song
song để thể hiện ý tưởng của phương pháp thiết kế mơ–đun. Do đó, bốn loại mẫu điện cực của bộ vi khuếch đại ECF đã được đề xuất và chế tạo thành công: mười